Бабочки-монархи в восточной части Северной Америки совершают одну из самых длинных миграций животных. Этих пятнистых опылителей часто сравнивают с марафонцами, они пересекают континент, совершая более чем двухмесячные перелеты и преодолевая тысячи миль от мест спаривания на севере Канады до мест зимовки на юге Мексики.
Ученые давно хотели узнать, как именно насекомое, которое весит меньше канцелярской скрепки, может преодолевать такие большие расстояния. Исследования до сих пор предполагали, что свою роль играют изменения в обмене веществ, прожорливый аппетит на богатый липидами цветочный нектар и форма крыльев.
Но новое исследование, опубликованное сегодня в журнале PLOS One, показывает, что цвет крыльев монарха может влиять и на его способность к выносливому полету. Откликаясь на набирающую популярность практику биомимикрии, когда исследователи пытаются повторить мир природы в инженерных проектах, авторы надеются, что изучение цвета крыльев монарха поможет им сделать беспилотники более эффективными.
Вопрос о том, как цвет влияет на полет монарха, возник, когда Мостафа Хассаналиан, профессор машиностроения в Технологическом институте Нью-Мексико, опубликовал работу о том, как цвет крыльев альбатроса, разновидности океанской бродячей птицы, может помочь ему летать на большие расстояния. Черный цвет верхней части крыльев птицы поглощает больше солнечной энергии, создавая карман теплого воздуха; белый цвет нижней части поглощает меньше. Вместе противоположные цвета создают большую подъемную силу и меньшее сопротивление, помогая альбатросу парить более эффективно. По словам Хассаналиана, разница температур между двумя сторонами крыльев может достигать от 10 до 25 градусов Цельсия в зависимости от количества солнца, которое они получают.
Энди Дэвис, научный сотрудник Университета Джорджии, изучающий монархов, увидел статью Хассаналиана и задался вопросом, может ли то же самое относиться к североамериканской бабочке. Вскоре пара установила контакт и вместе с тремя другими экспертами начала исследовать, определяет ли оранжевый, черный и белый рисунок на крыльях монарха, как далеко он может летать. Сначала они измерили соотношение цветов на 400 парах крыльев сохранившихся бабочек-молочниц, включая восточных монархов на разных стадиях их жизненного цикла. Затем они провели анализ изображения правого крыла каждого экземпляра, чтобы определить размер пятен.
Команда определила, что бабочки, пережившие миграцию в Мексику, имели на 3 процента меньше черного пигмента на крыльях и на 3 процента больше белого пигмента, что является удивительным контрастом по сравнению с альбатросом. Они также обнаружили, что у восточных монархов белые пятна значительно больше, чем у других бабочек-молочниц, которые не совершали дальних путешествий. Предыдущие исследования также выявили более глубокие оттенки оранжевого цвета на крыльях восточных монархов, которые мигрируют дальше, чем западные и флоридские популяции.
Дэвис и др. (2023)
Дэвис и др. (2023)Авторы пока не знают, почему у мигрирующих монархов больше белых пятен, но они предполагают, что чередование цветов дает им аэродинамическое преимущество. "Задняя кромка [крыла монарха] полностью черная, а затем появляются белые пятна", - объясняет Хассаналиан. "Белый цвет - это холодный воздух; черный - горячий. Таким образом, холодный и горячий воздух изменяют структуру потока на кромке крыла. А это позволит им экономить больше энергии, повысит их динамическую эффективность и облегчит полет".
Никто напрямую не изучал, как белые пятна на крыльях монарха влияют на его полет, говорит Мика Фридман, постдокторант, изучающий миграцию монархов в Университете Британской Колумбии. Тем не менее, размер пятен относительно невелик. "Для нетренированного глаза это, вероятно, не выглядит как большая разница", - говорит он. "Но когда вы используете программное обеспечение для обработки изображений, оно улавливает разницу".
Хассаналиан, Дэвис и их команда планируют дальнейшие проекты для подтверждения этой гипотезы. Их будущие эксперименты могут включать создание искусственных крыльев монарха разных цветов и помещение их в аэродинамическую трубу. Они также могут подвергнуть свои модели воздействию дыма и лазеров и использовать высокоскоростную камеру для визуализации потоков вокруг них. "Эти идеи совершенно новые", - говорит Дэвис. "Я изучаю монархов уже 25 лет или около того. Никто не знает, для чего нужны эти места. Мы никогда не знали".
Если связь между белой маркировкой и летными характеристиками окажется верной, они планируют применить ее к технологии беспилотников. Если небольшие эффекты окраски "могут повысить эффективность на 10 процентов, то это очень много", - говорит Хассаналиан. "Другой аспект - ваш беспилотник сможет нести больше, потому что эта окраска помогает ему получить дополнительную подъемную силу". Улучшение может принести пользу и другим летательным аппаратам, но он указывает на одну оговорку: самолеты летают с гораздо большей скоростью, чем бабочки, поэтому окраска может быть не так важна для них. Тем не менее, один из его аспирантов в настоящее время изучает вопрос о том, может ли окрашивание кончиков крыльев самолета в черный цвет снизить расход топлива.
"Это биологическое вдохновение в его лучшем проявлении, - добавляет Дэвид, - потому что мы учимся у бабочек, которые эволюционировали на протяжении веков, как быть лучшими летунами".